코리올리 진동 자이로스코프

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1. 개요
2. 작동 원리
3. 구현 방법
4. 성능 평가
5. 응용 분야
참조

1. 개요

코리올리 진동 자이로스코프는 진동하는 검증 질량의 코리올리 효과를 이용하여 각속도를 측정하는 장치이다. 이 자이로스코프는 MEMS 기술을 활용하여 소형화되었으며, 자동차의 차체 자세 제어, 내비게이션 시스템, 우주선의 자세 제어, 게임 컨트롤러, 카메라의 손떨림 보정, 무선 조종 장치, 산업용 로봇 등 다양한 분야에 응용된다. 작동 원리는 검증 질량의 진동과 회전에 의해 발생하는 코리올리 힘을 이용하여 각속도를 측정하는 것이며, 성능 평가에는 검출 범위, 감도, 드리프트, 노이즈, 주파수 대역 등이 중요한 요소로 고려된다.

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코리올리 진동 자이로스코프
개요
종류	자이로스코프
작동 원리	코리올리 효과
응용 분야	관성 측정 장치 (IMU) 자세 제어 시스템 항법 장치
작동 원리 상세
원리	코리올리 힘을 이용
작동 방식	진동하는 물체에 각속도가 가해질 때 발생하는 코리올리 힘 측정 측정된 힘을 통해 각속도와 각도 변화 감지
특징
장점	소형화, 경량화 가능 낮은 전력 소비 높은 내구성 낮은 생산 비용
단점	온도 변화에 민감 진동에 취약 드리프트 현상 발생 가능성
종류
음차형 진동 자이로스코프	설명: 음차의 진동을 이용 특징: 높은 정밀도, 높은 가격
링 레이저 자이로스코프	설명: 레이저 빔의 간섭 현상 이용 특징: 매우 높은 정밀도, 높은 가격, 대형
MEMS 자이로스코프	설명: 미세 전자 기계 시스템 기술 이용 특징: 소형, 저가, 낮은 정밀도
진동 빔 자이로스코프	설명: 진동하는 빔의 변형 측정 특징: 중간 정도의 정밀도, 중간 가격
와인 글라스 자이로스코프	설명: 와인 글라스 형태의 진동체 사용 특징: 높은 정밀도, 중간 가격
응용 분야 상세
자동차	자세 제어 시스템 (ESC) 내비게이션 시스템
항공 우주	관성 항법 장치 (INS) 자동 조종 장치
로봇	자세 제어 위치 인식
가전 제품	스마트폰 게임 컨트롤러 드론
기타
참고	코리올리 효과 자이로스코프 관성 측정 장치 (IMU)

2. 작동 원리

두 개의 검증 질량이 $\omega_r$ 의 주파수로 평면 내에서 진동한다고 가정한다(MEMS 자이로에서와 같이). 코리올리 효과는 검증 질량에 $a_\mathrm{c} = 2(\Omega\times v)$ 와 같은 가속도를 유발하며, 여기서 $v$ 는 속도이고 $\Omega$ 는 각속도이다. 평면 내 위치가 $X_\text{ip} \sin(\omega_r t)$ 로 주어지면, 검증 질량의 평면 내 속도는 $X_\text{ip} \omega_r \cos(\omega_r t)$ 로 주어진다. 회전에 의해 유도된 평면 밖 운동 $y_\text{op}$ 는 다음과 같다.

: $y_\text{op} = \frac{F_c}{k_\text{op}} = \frac{1}{k_\text{op}}2m\Omega X_\text{ip} \omega_r \cos(\omega_r t)$

여기서

: $m$ 은 검증 질량의 질량이고,

: $k_\text{op}$ 는 평면 밖 방향의 스프링 상수이며,

: $\Omega$ 는 구동되는 검증 질량 운동에 수직하고 평면 내 회전 벡터의 크기이다.

$y_\text{op}$ 를 측정함으로써, 회전 속도 $\Omega$ 를 결정할 수 있다. 즉, $m, k_{op}, X_{ip}, \omega_r$ 가 이미 알려져 있다면, 검증 질량 면과 직각을 이루는 방향의 진폭 성분을 계측함으로써 $\Omega$ 를 알 수 있다.

선대칭성을 갖는 얇은 빔(beam, 보) 또는 쉘(shell, 껍질)과 같은 구조의 응용 사례에서는 코리올리 힘이 회전축에 관한 진동 패턴의 세차운동을 발생시킨다.^[19] 쉘의 경우, 입력 축(회전축)과 다른 축에서 발생하는 각속도 축에 있는 정상파보다 느린 세차운동을 일으킨다. 이는 1890년 영국의 과학자 조지 하트리 브라이언/George H. Bryan^영어(1864-1928)에 의해 발견된 "파동의 관성 효과"이다.^[19]

2. 1. 코리올리 힘

검증 질량이

\omega_r

의 주파수로 평면 내에서 진동하는 MEMS 자이로스코프에서 코리올리 효과는 검증 질량에

a_\mathrm{c} = 2(\Omega\times v)

와 같은 가속도를 유발한다. 여기서

v

는 속도이고

\Omega

는 각속도이다. 평면 내 위치가

X_\text{ip} \sin(\omega_r t)

로 주어지면, 검증 질량의 평면 내 속도는

X_\text{ip} \omega_r \cos(\omega_r t)

로 주어진다. 회전에 의해 유도된 평면 밖 운동

y_\text{op}

는 다음과 같다.

:

y_\text{op} = \frac{F_c}{k_\text{op}} = \frac{1}{k_\text{op}}2m\Omega X_\text{ip} \omega_r \cos(\omega_r t)

여기서

:

m

은 검증 질량의 질량이고,

:

k_\text{op}

는 평면 밖 방향의 스프링 상수이며,

:

\Omega

는 구동되는 검증 질량 운동에 수직하고 평면 내 회전 벡터의 크기이다.

y_\text{op}

를 측정함으로써, 회전 속도

\Omega

를 결정할 수 있다.

각속도

\boldsymbol{\Omega}

로 회전하는 기준계에서 속도

\boldsymbol{v}

로 움직이는 질량

m

의 물체를 관측할 때, 코리올리 힘은 다음과 같이 표시된다.

:

\mathbf{F}_C = - 2 m \, \boldsymbol{\Omega} \times \mathbf{v}

이때, 코리올리 힘

\boldsymbol{F}_C

는 각속도 벡터

\boldsymbol{\Omega}

와 반대 방향으로 작용하며, 반시계 방향의 경우 진행 방향에서 90도 오른쪽 방향으로 작용한다.

2. 2. 검증 질량 (Proof Mass)의 동작

MEMS 자이로스코프는 일반적으로 두 개의 검증 질량을 사용하여 코리올리 힘을 측정한다. 검증 질량은 특정 주파수(

\omega_r

)로 평면 내에서 진동하며, 각속도(

\Omega

)로 회전하는 기준계에서 속도(

v

)로 동작하는 검증 질량에는 코리올리 힘(

\boldsymbol F_c = -2m(\boldsymbol v\times\boldsymbol \Omega)

)이 작용한다.

검증 질량의 평면 내 위치가

X_\text{ip} \sin(\omega_r t)

로 주어지면, 평면 내 속도는

X_\text{ip} \omega_r \cos(\omega_r t)

가 된다. 회전에 의해 유도된 평면 밖 운동(

y_\text{op}

)은 다음과 같이 주어진다.

:

y_\text{op} = \frac{F_c}{k_\text{op}} = \frac{1}{k_\text{op}}2m\Omega X_\text{ip} \omega_r \cos(\omega_r t)

여기서,

:

m

은 검증 질량의 질량

:

k_\text{op}

는 평면 밖 방향의 스프링 상수

:

\Omega

는 구동되는 검증 질량 운동에 수직하고 평면 내 회전 벡터의 크기이다.

y_\text{op}

를 측정함으로써, 회전 속도

\Omega

를 결정할 수 있다. 즉,

m, k_{op}, X_{ip}, \omega_r

가 이미 알려져 있다면, 검증 질량 면과 직각을 이루는 방향의 진폭 성분을 계측함으로써

\Omega

를 알 수 있다.

2. 3. 빔형 및 쉘형 구조

선대칭성을 갖는 얇은 빔(beam, 보) 또는 쉘(shell, 껍질)과 같은 구조의 응용 사례에서는 코리올리 힘이 회전축에 관한 진동 패턴의 세차운동을 발생시킨다.^[19] 쉘의 경우, 입력 축(회전축)과 다른 축에서 발생하는 각속도 축에 있는 정상파보다 느린 세차운동을 일으킨다. 이는 1890년 영국의 과학자 조지 하트리 브라이언/George H. Bryan^영어(1864-1928)에 의해 발견된 "파동의 관성 효과"이다.^[19]

3. 구현 방법

진동형 자이로스코프는 다양한 방식으로 구현될 수 있다.

thumb

저렴한 진동 구조 미세 전자기계 시스템(MEMS) 자이로스코프가 널리 보급되었다. 이들은 다른 집적 회로와 유사하게 패키징되어 있으며 아날로그 또는 디지털 출력을 제공할 수 있다. 많은 경우 단일 부품에 여러 축에 대한 자이로스코프 센서가 포함되어 있다. 일부 부품에는 여러 자이로스코프와 가속도계 (또는 다축 자이로스코프 및 가속도계)가 통합되어 6자유도 출력을 얻는다. 이러한 장치를 관성 측정 장치 또는 IMU라고 한다. 파나소닉(Panasonic), 로버트 보쉬 GmbH(Robert Bosch GmbH), 인벤센스(InvenSense), 세이코 엡손(Seiko Epson), 센소노르(Sensonor), 행킹 일렉트로닉스(Hanking Electronics), ST마이크로일렉트로닉스(STMicroelectronics), 프리스케일 반도체(Freescale Semiconductor) 및 아날로그 디바이스(Analog Devices)가 주요 제조업체이다.

내부적으로 MEMS 자이로스코프는 위에 설명된 하나 이상의 메커니즘(튜닝 포크, 진동 휠 또는 다양한 설계의 공진 고체, 즉 위에서 언급한 TFG, CRG 또는 HRG와 유사)의 미세 리소그래피로 구성된 버전을 사용한다.^[10]

MEMS 자이로스코프는 자동차 전복 방지 및 에어백 시스템, 이미지 안정화 등에 사용되며 다른 많은 잠재적 응용 분야가 있다.^[11]

1996년 11월 5일, 삼성종합기술원은 1초에 0.1도, 0.00167 deg/hr 수준의 고정밀 MEMS 자이로를 개발했다. 가로 세로 1 mm 크기로서, 캠코더의 손떨림 방지 기술에 사용될 수 있다.^[61]

많은 진동형 자이로스코프는 MEMS 기술로 제조되어 균일한 성능과 품질을 저렴하게 실현하여 널리 사용되고 있다.

진동형 자이로스포크의 구조에는 다음과 같은 종류들이 있다.

음차형
음편(가로 진동 가는 막대, 빔)형
링형
판형

음차형 자이로스코프는 공진으로 구동되는 한 쌍의 시험 질량(음차)을 사용한다. 진동 평면으로부터의 변위는 시스템의 회전 각속도와 관련된 신호를 생성하기 위해 측정된다. 프레데릭 윌리엄 메레디스는 1942년 영국 왕립 항공 연구소에서 근무하면서 이러한 장치에 대한 특허를 등록했다. 1958년에는 G. H. 헌트와 A. E. W. 홉스가 RAE에서 추가 개발을 진행했으며, 이들은 1°/h 미만의 드리프트를 입증했다.^[3] 전술 자이로의 현대적인 변형은 미국 제조업체인 캘리포니아의 Systron Donner와 프랑스 제조업체인 사프란 그룹의 Safran Electronics & Defense/Safran Electronics & Defense^프랑스어에서 생산하는 것과 같은 이중 음차를 사용한다.^[4]

음편(빔)형 자이로스코프는 원기둥, 사각 기둥 또는 삼각 기둥을 진동시켜 코리올리 힘을 검출한다.

링형 자이로스코프는 링 형태의 구조물을 진동시켜 코리올리 힘을 측정한다.

판형 자이로스코프는 판 형태의 구조물을 진동시켜 발생하는 코리올리 힘을 측정하는 방식으로 작동한다.

원통형 공진 자이로스코프 (CRG)는 1980년대에 GEC 마르코니(GEC Marconi)와 페란티(Ferranti)가 압전 소자와 일체형 압전 세라믹 설계를 사용하여 금속 합금으로 개발했다. 이후 90년대에는 미국 캘리포니아의 이너셜 엔지니어링(Inertial Engineering, Inc.)에서 자기-전기 여기 및 판독 기능을 갖춘 CRG를, 왓슨 인더스트리(Watson Industries)에서 압전 세라믹 변종을 생산했다. 최근 인날랩스(Innalabs)에서 특허를 받은 변종은 엘린바(Elinvar)형 합금으로 만들어진 원통형 공진기를 사용하며, 바닥에 압전 세라믹 소자를 사용하여 여기 및 픽오프(pickoff)를 수행한다. 이 획기적인 기술은 제품 수명을 대폭 증가시켰다(MTBF > 500,000 시간). 충격 저항성(>300G)으로 인해 "전술적"(중간 정확도) 응용 분야에 적합하다. 공진기는 2차 공진 모드로 작동한다. Q 팩터는 일반적으로 약 20,000이며, 이는 소음과 각도 무작위 보행을 미리 결정한다. 정상파는 림을 따라 원주 방향으로 위치한 4개의 반절점과 4개의 절점을 갖는 타원형 진동이다. 두 인접한 반절점 - 절점 사이의 각도는 45도이다. 타원형 공진 모드 중 하나가 규정된 진폭으로 여기된다. 장치가 민감한 축(내부 줄기를 따라)을 중심으로 회전하면, 공진기의 진동 질량 요소에 작용하는 결과적인 코리올리 힘이 두 번째 공진 모드를 여기한다. 두 모드의 주축 사이의 각도 역시 45도이다. 폐쇄 루프는 두 번째 공진 모드를 0으로 구동하며, 이 모드를 널리 만들 필요가 있는 힘은 입력 회전 속도에 비례한다. 이 제어 루프는 힘-재균형 모드로 지정된다. 공진기의 압전 소자는 힘을 생성하고 유도된 움직임을 감지한다. 이 전기 기계 시스템은 까다로운 응용 분야에서 요구하는 낮은 출력 소음과 넓은 동적 범위를 제공하지만, 강렬한 음향 소음과 높은 과부하로 어려움을 겪는다.

반구형 공진 자이로스코프 또는 HRG라고도 불리는 와인잔형 공진기는 두꺼운 줄기로 고정된 얇은 솔리드 스테이트 반구를 사용한다. 줄기가 있는 반구는 굴곡 공진으로 구동되며 회전을 감지하기 위해 마디점을 측정한다. 이러한 시스템에는 두 가지 기본 변형이 있다. 하나는 작동의 속도 체계("힘-균형 모드")를 기반으로 하고 다른 변형은 작동의 적분 체계("전체 각도 모드")를 기반으로 한다. 일반적으로 후자는 제어된 파라메트릭 여기와 함께 사용된다. 동일한 하드웨어로 두 가지 체계를 모두 사용할 수 있으며, 이는 이러한 자이로스코프만의 고유한 기능이다.^[5] 고순도 석영 유리로 만들어진 일체형 설계(즉, 반구형 컵과 줄기가 모놀리식 부품을 형성함)의 경우 진공 상태에서 3천만에서 5천만 이상의 Q 팩터에 도달할 수 있으므로 해당 무작위 보행은 매우 낮습니다. Q는 코팅, 즉 매우 얇은 금 또는 백금 필름과 고정 손실에 의해 제한된다.^[5] 이러한 공진기는 유리에 대한 이온 빔 미세 침식 또는 레이저 제거를 통해 미세 조정해야 한다. 여러 국가의 엔지니어와 연구원들이 이러한 정교한 최첨단 기술의 추가 개선을 위해 노력해 왔다.^[6] 사프란(Safran)과 노스롭 그러먼(Northrop Grumman)은 HRG의 주요 제조업체이다.^[7]^[8] 반구형 공진 자이로(Hemispherical Resonator Gyro: HRG)라고도 불리는 와인잔형 공진기는 반구형으로 회전하도록 구동되며, 그 절점에서 회전을 측정한다. 조지 하트리 브라이언/George H. Bryan^영어이 기본적인 물리 현상을 발견한 지 약 1세기 후에, 데이비드 D. 린치등이 GM 그룹의 델코 일렉트로닉스사나 리튼사·노스롭 그러먼(미국 캘리포니아주)의 우주선 발사 부서에서 HRG를 개발하여 특허를 취득했다.^[27] 와인잔형에는 2가지 시스템 구성 방법이 있다. 1종은 속도 제어에 기반한 것이고, 다른 1종은 적분 제어에 기반한 것이며, 통상 제어 파라미터에 의한 여진과 조합하여 구성된다. 동일한 하드웨어에서 이 두 가지 기법을 모두 사용할 수 있으며, 이 종류의 자이로의 특유한 특징이 되고 있다^[28]

진동 휠형 자이로스코프는 바퀴는 축을 중심으로 전체 회전의 일부를 회전하도록 구동된다. 바퀴의 기울기를 측정하여 회전율과 관련된 신호를 생성한다.^[9] 휠을 축 주위로 완전히 회전시키고 휠의 기울기를 측정하여 각속도에 관한 신호를 생성한다.^[29]

진동형 자이로스코프의 구동 방식은 다음과 같이 분류할 수 있다.

정전 인력

평행 평판 사이에 전압을 인가하면 정전기적 인력이 발생하는 현상을 이용하여 가동부를 진동시킬 수 있다.

두 개의 평행한 전극면의 거리가 y축 방향으로 가변인 경우, 전압

V

에 의해 발생하는 y축 방향의 힘

F_y

는,

:

F_y = \frac{1}{2} \frac{\partial C}{\partial y} V^2 = - \frac{1}{2} \frac{\varepsilon_0 z_0 x_0}{(y_0 + y)^2} V^2

가 되며, 전극 간 거리

y_0 + y

의 제곱에 반비례한다^[30]^[31]

두 개의 평행한 전극면의 거리가 일정하고, 전극이 가로(x축 방향)로 이동하여 전극의 면적이 가변이 되는 경우, 전압

V

에 의해 발생하는 x축 방향의 힘

F_x

는,

:

F_x = \frac{1}{2} \frac{\partial C}{\partial x} V^2 = \frac{1}{2} \frac{\partial (x_0 - x)}{\partial x} \frac{\varepsilon_0 z_0}{y_0} V^2 = - \frac{1}{2} \frac{\varepsilon_0 z_0}{y_0} V^2

가 되어,

x

에 의존하지 않는다^[30]

역 압전 효과

압전 소자인 수정이나 PZT(티탄산지르콘산납)에 전압을 가하면 역압전 효과에 의해 변형이 발생한다. 이 변형량은 최대 0.1% 정도^[32]로 작기 때문에, 금속판과 압전 재료판을 겹친 유니모프 구조, 혹은 압전 재료판을 조합한 바이모프 구조를 통해 "휨"을 이용하여 변위를 확대시킨다.

전자기력

전자기력을 이용하여 진동을 발생시킨다.

진동형 자이로스코프의 검출 방식은 다음과 같이 분류할 수 있다.

정전 용량형

빗살 모양으로 배열된 전극 간의 정전 용량을 검출한다.

2개의 평행 전극면의 거리가 y만큼 이동하는 경우(단, 이동 거리 y는 초기 전극 간 거리 d보다 충분히 작음), 변화하는 정전 용량 ΔC는 다음과 같다.

:ΔC = ε₀(tL/(d-y)) - ε₀(tL/d) ≈ ε₀(tLy/d²)^[33]

2개의 평행 전극면의 거리 d는 일정하고, 전극이 가로로 x만큼 이동하는 경우, 변화하는 정전 용량 ΔC는 다음과 같다.

:ΔC = ε₀(t(L+x)/d) - ε₀(tL/d) = ε₀(tx/d)^[33]

이러한 정전 용량의 변화는, 전극 사이에 V_DC의 전압을 인가함으로써,

:i_s = d/dt[V_DCC_sense(t)] = V_DC(∂C_sense/∂x)ẋ

와 같이 전류로 변환할 수 있다.^[34]

압전형

압전 효과(piezoelectric effect)에 의해 발생한 전하를 검출한다. 압전 물질은 진동하도록 유도될 수 있으며, 코리올리 힘에 의한 횡방향 운동을 측정하여 회전 속도와 관련된 신호를 생성할 수 있다.^[2] 압전성 물질은 진동을 발생시킬 수 있으며, 또한 코리올리 힘에 의해 발생한 횡이동을 측정하여 각속도를 나타내는 신호를 생성할 수 있다.^[35]

피에조형

피에조 저항 효과에 의한 저항의 변화를 검출한다.

전자 유도형

자속을 가로지르는 회로에 발생하는 유도 기전력에 의해 검출한다.

광학식

광학식 자이로스코프는 빛을 이용하여 각속도를 검출한다.

3. 1. 제조 방법

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저렴한 진동 구조 미세 전자기계 시스템(MEMS) 자이로스코프가 널리 보급되었다. 이들은 다른 집적 회로와 유사하게 패키징되어 있으며 아날로그 또는 디지털 출력을 제공할 수 있다. 많은 경우 단일 부품에 여러 축에 대한 자이로스코프 센서가 포함되어 있다. 일부 부품에는 여러 자이로스코프와 가속도계 (또는 다축 자이로스코프 및 가속도계)가 통합되어 6자유도 출력을 얻는다. 이러한 장치를 관성 측정 장치 또는 IMU라고 한다. 파나소닉, 로버트 보쉬 GmbH, 인벤센스, 세이코 엡손, 센소노르, 행킹 일렉트로닉스, ST마이크로일렉트로닉스, 프리스케일 반도체 및 아날로그 디바이스가 주요 제조업체이다.

내부적으로 MEMS 자이로스코프는 위에 설명된 하나 이상의 메커니즘(튜닝 포크, 진동 휠 또는 다양한 설계의 공진 고체, 즉 위에서 언급한 TFG, CRG 또는 HRG와 유사)의 미세 리소그래피로 구성된 버전을 사용한다.^[10]

MEMS 자이로스코프는 자동차 전복 방지 및 에어백 시스템, 이미지 안정화 등에 사용되며 다른 많은 잠재적 응용 분야가 있다.^[11]

1996년 11월 5일, 삼성종합기술원은 1초에 0.1도, 0.00167 deg/hr 수준의 고정밀 MEMS 자이로를 개발했다. 가로 세로 1mm 크기로서, 캠코더의 손떨림 방지 기술에 사용될 수 있다.^[61]

3. 1. 1. MEMS 자이로스코프

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저렴한 진동 구조 미세 전자기계 시스템(MEMS) 자이로스코프가 널리 보급되었다. 이들은 다른 집적 회로와 유사하게 패키징되어 있으며 아날로그 또는 디지털 출력을 제공할 수 있다. 많은 경우 단일 부품에 여러 축에 대한 자이로스코프 센서가 포함되어 있다. 일부 부품에는 여러 자이로스코프와 가속도계 (또는 다축 자이로스코프 및 가속도계)가 통합되어 6자유도 출력을 얻는다. 이러한 장치를 관성 측정 장치 또는 IMU라고 한다. 파나소닉(Panasonic), 로버트 보쉬 GmbH(Robert Bosch GmbH), 인벤센스(InvenSense), 세이코 엡손(Seiko Epson), 센소노르(Sensonor), 행킹 일렉트로닉스(Hanking Electronics), ST마이크로일렉트로닉스(STMicroelectronics), 프리스케일 반도체(Freescale Semiconductor) 및 아날로그 디바이스(Analog Devices)가 주요 제조업체이다.

내부적으로 MEMS 자이로스코프는 위에 설명된 하나 이상의 메커니즘(튜닝 포크, 진동 휠 또는 다양한 설계의 공진 고체, 즉 위에서 언급한 TFG, CRG 또는 HRG와 유사)의 미세 리소그래피로 구성된 버전을 사용한다.^[10]

MEMS 자이로스코프는 자동차 전복 방지 및 에어백 시스템, 이미지 안정화 등에 사용되며 다른 많은 잠재적 응용 분야가 있다.^[11]

1996년 11월 5일, 삼성종합기술원은 1초에 0.1도, 0.00167 deg/hr 수준의 고정밀 MEMS 자이로를 개발했다. 가로 세로 1 mm 크기로서, 캠코더의 손떨림 방지 기술에 사용될 수 있다.^[61]

많은 진동형 자이로스코프는 MEMS 기술로 제조되어 균일한 성능과 품질을 저렴하게 실현하여 널리 사용되고 있다.

3. 2. 구조의 종류

음차형
음편(가로 진동 가는 막대, 빔)형
링형
판형

음차형 자이로스코프는 공진으로 구동되는 한 쌍의 시험 질량(음차)을 사용한다. 진동 평면으로부터의 변위는 시스템의 회전 각속도와 관련된 신호를 생성하기 위해 측정된다. 프레데릭 윌리엄 메레디스는 1942년 영국 왕립 항공 연구소에서 근무하면서 이러한 장치에 대한 특허를 등록했다. 1958년에는 G. H. 헌트와 A. E. W. 홉스가 RAE에서 추가 개발을 진행했으며, 이들은 1°/h 미만의 드리프트를 입증했다.^[3] 전술 자이로의 현대적인 변형은 미국 제조업체인 캘리포니아의 Systron Donner와 프랑스 제조업체인 사프란 그룹의 Safran Electronics & Defense/Safran Electronics & Defense^프랑스어에서 생산하는 것과 같은 이중 음차를 사용한다.^[4]

음편(빔)형 자이로스코프는 원기둥, 사각 기둥 또는 삼각 기둥을 진동시켜 코리올리 힘을 검출한다.

링형 자이로스코프는 링 형태의 구조물을 진동시켜 코리올리 힘을 측정한다.

판형 자이로스코프는 판 형태의 구조물을 진동시켜 발생하는 코리올리 힘을 측정하는 방식으로 작동한다.

원통형 공진 자이로스코프 (CRG)는 1980년대에 GEC 마르코니(GEC Marconi)와 페란티(Ferranti)가 압전 소자와 일체형 압전 세라믹 설계를 사용하여 금속 합금으로 개발했다. 이후 90년대에는 미국 캘리포니아의 이너셜 엔지니어링(Inertial Engineering, Inc.)에서 자기-전기 여기 및 판독 기능을 갖춘 CRG를, 왓슨 인더스트리(Watson Industries)에서 압전 세라믹 변종을 생산했다. 최근 인날랩스(Innalabs)에서 특허를 받은 변종은 엘린바(Elinvar)형 합금으로 만들어진 원통형 공진기를 사용하며, 바닥에 압전 세라믹 소자를 사용하여 여기 및 픽오프(pickoff)를 수행한다. 이 획기적인 기술은 제품 수명을 대폭 증가시켰다(MTBF > 500,000 시간). 충격 저항성(>300G)으로 인해 "전술적"(중간 정확도) 응용 분야에 적합하다. 공진기는 2차 공진 모드로 작동한다. Q 팩터는 일반적으로 약 20,000이며, 이는 소음과 각도 무작위 보행을 미리 결정한다. 정상파는 림을 따라 원주 방향으로 위치한 4개의 반절점과 4개의 절점을 갖는 타원형 진동이다. 두 인접한 반절점 - 절점 사이의 각도는 45도이다. 타원형 공진 모드 중 하나가 규정된 진폭으로 여기된다. 장치가 민감한 축(내부 줄기를 따라)을 중심으로 회전하면, 공진기의 진동 질량 요소에 작용하는 결과적인 코리올리 힘이 두 번째 공진 모드를 여기한다. 두 모드의 주축 사이의 각도 역시 45도이다. 폐쇄 루프는 두 번째 공진 모드를 0으로 구동하며, 이 모드를 널리 만들 필요가 있는 힘은 입력 회전 속도에 비례한다. 이 제어 루프는 힘-재균형 모드로 지정된다. 공진기의 압전 소자는 힘을 생성하고 유도된 움직임을 감지한다. 이 전기 기계 시스템은 까다로운 응용 분야에서 요구하는 낮은 출력 소음과 넓은 동적 범위를 제공하지만, 강렬한 음향 소음과 높은 과부하로 어려움을 겪는다.

와인잔형 공진기 (반구형 공진 자이로스코프 또는 HRG)는 두꺼운 줄기로 고정된 얇은 솔리드 스테이트 반구를 사용한다. 줄기가 있는 반구는 굴곡 공진으로 구동되며 회전을 감지하기 위해 마디점을 측정한다. 이러한 시스템에는 두 가지 기본 변형이 있다. 하나는 작동의 속도 체계("힘-균형 모드")를 기반으로 하고 다른 변형은 작동의 적분 체계("전체 각도 모드")를 기반으로 한다. 일반적으로 후자는 제어된 파라메트릭 여기와 함께 사용된다. 동일한 하드웨어로 두 가지 체계를 모두 사용할 수 있으며, 이는 이러한 자이로스코프만의 고유한 기능이다.^[5] 고순도 석영 유리로 만들어진 일체형 설계(즉, 반구형 컵과 줄기가 모놀리식 부품을 형성함)의 경우 진공 상태에서 3천만에서 5천만 이상의 Q 팩터에 도달할 수 있으므로 해당 무작위 보행은 매우 낮습니다. Q는 코팅, 즉 매우 얇은 금 또는 백금 필름과 고정 손실에 의해 제한된다.^[5] 이러한 공진기는 유리에 대한 이온 빔 미세 침식 또는 레이저 제거를 통해 미세 조정해야 한다. 여러 국가의 엔지니어와 연구원들이 이러한 정교한 최첨단 기술의 추가 개선을 위해 노력해 왔다.^[6] 사프란(Safran)과 노스롭 그러먼(Northrop Grumman)은 HRG의 주요 제조업체이다.^[7]^[8] 반구형 공진 자이로(Hemispherical Resonator Gyro: HRG)라고도 불리는 와인잔형 공진기는 반구형으로 회전하도록 구동되며, 그 절점에서 회전을 측정한다. 조지 하트리 브라이언/George H. Bryan^영어이 기본적인 물리 현상을 발견한 지 약 1세기 후에, 데이비드 D. 린치등이 GM 그룹의 델코 일렉트로닉스사나 리튼사·노스롭 그러먼(미국 캘리포니아주)의 우주선 발사 부서에서 HRG를 개발하여 특허를 취득했다.^[27] 와인잔형에는 2가지 시스템 구성 방법이 있다. 1종은 속도 제어에 기반한 것이고, 다른 1종은 적분 제어에 기반한 것이며, 통상 제어 파라미터에 의한 여진과 조합하여 구성된다. 동일한 하드웨어에서 이 두 가지 기법을 모두 사용할 수 있으며, 이 종류의 자이로의 특유한 특징이 되고 있다^[28]

진동 휠형 자이로스코프는 바퀴는 축을 중심으로 전체 회전의 일부를 회전하도록 구동된다. 바퀴의 기울기를 측정하여 회전율과 관련된 신호를 생성한다.^[9] 휠을 축 주위로 완전히 회전시키고 휠의 기울기를 측정하여 각속도에 관한 신호를 생성한다.^[29]

3. 2. 1. 음차형 자이로스코프 (Tuning Fork Gyroscope)

이 유형의 자이로스코프는 공진으로 구동되는 한 쌍의 시험 질량(음차)을 사용한다. 이들의 진동 평면으로부터의 변위는 시스템의 회전 각속도와 관련된 신호를 생성하기 위해 측정된다.

프레데릭 윌리엄 메레디스는 1942년 영국 왕립 항공 연구소에서 근무하면서 이러한 장치에 대한 특허를 등록했다. 1958년에는 G. H. 헌트와 A. E. W. 홉스가 RAE에서 추가 개발을 진행했으며, 이들은 1°/h 미만의 드리프트를 입증했다.^[3]

전술 자이로의 현대적인 변형은 미국 제조업체인 캘리포니아의 Systron Donner와 프랑스 제조업체인 사프란 그룹의 Safran Electronics & Defense에서 생산하는 것과 같은 이중 음차를 사용한다.^[4]

3. 2. 2. 음편(빔)형 자이로스코프

원기둥, 사각 기둥 또는 삼각 기둥을 진동시켜 코리올리 힘을 검출한다.

3. 2. 3. 링형 자이로스코프 (Ring Gyroscope)

링 형태의 구조물을 진동시켜 코리올리 힘을 측정한다.

3. 2. 4. 판형 자이로스코프

판형 자이로스코프는 판 형태의 구조물을 진동시켜 발생하는 코리올리 힘을 측정하는 방식으로 작동한다.

3. 2. 5. 원통형 공진 자이로스코프 (CRG)

이 유형의 자이로스코프는 1980년대에 GEC 마르코니(GEC Marconi)와 페란티(Ferranti)가 압전 소자와 일체형 압전 세라믹 설계를 사용하여 금속 합금으로 개발했다. 이후 90년대에는 미국 캘리포니아의 이너셜 엔지니어링(Inertial Engineering, Inc.)에서 자기-전기 여기 및 판독 기능을 갖춘 CRG를, 왓슨 인더스트리(Watson Industries)에서 압전 세라믹 변종을 생산했다. 최근 인날랩스(Innalabs)에서 특허를 받은 변종은 엘린바(Elinvar)형 합금으로 만들어진 원통형 공진기를 사용하며, 바닥에 압전 세라믹 소자를 사용하여 여기 및 픽오프(pickoff)를 수행한다.

이 획기적인 기술은 제품 수명을 대폭 증가시켰다(MTBF > 500,000 시간). 충격 저항성(>300G)으로 인해 "전술적"(중간 정확도) 응용 분야에 적합하다.

공진기는 2차 공진 모드로 작동한다. Q 팩터는 일반적으로 약 20,000이며, 이는 소음과 각도 무작위 보행을 미리 결정한다. 정상파는 림을 따라 원주 방향으로 위치한 4개의 반절점과 4개의 절점을 갖는 타원형 진동이다.

두 인접한 반절점 - 절점 사이의 각도는 45도이다. 타원형 공진 모드 중 하나가 규정된 진폭으로 여기된다. 장치가 민감한 축(내부 줄기를 따라)을 중심으로 회전하면, 공진기의 진동 질량 요소에 작용하는 결과적인 코리올리 힘이 두 번째 공진 모드를 여기한다. 두 모드의 주축 사이의 각도 역시 45도이다.

폐쇄 루프는 두 번째 공진 모드를 0으로 구동하며, 이 모드를 널리 만들 필요가 있는 힘은 입력 회전 속도에 비례한다. 이 제어 루프는 힘-재균형 모드로 지정된다.

공진기의 압전 소자는 힘을 생성하고 유도된 움직임을 감지한다. 이 전기 기계 시스템은 까다로운 응용 분야에서 요구하는 낮은 출력 소음과 넓은 동적 범위를 제공하지만, 강렬한 음향 소음과 높은 과부하로 어려움을 겪는다.

3. 2. 6. 와인잔형 공진기 (Wine-glass Resonator)

반구형 공진 자이로스코프 또는 HRG라고도 불리는 와인잔 공진기는 두꺼운 줄기로 고정된 얇은 솔리드 스테이트 반구를 사용한다. 줄기가 있는 반구는 굴곡 공진으로 구동되며 회전을 감지하기 위해 마디점을 측정한다. 이러한 시스템에는 두 가지 기본 변형이 있다. 하나는 작동의 속도 체계("힘-균형 모드")를 기반으로 하고 다른 변형은 작동의 적분 체계("전체 각도 모드")를 기반으로 한다. 일반적으로 후자는 제어된 파라메트릭 여기와 함께 사용된다. 동일한 하드웨어로 두 가지 체계를 모두 사용할 수 있으며, 이는 이러한 자이로스코프만의 고유한 기능이다.^[5]

고순도 석영 유리로 만들어진 일체형 설계(즉, 반구형 컵과 줄기가 모놀리식 부품을 형성함)의 경우 진공 상태에서 3천만에서 5천만 이상의 Q 팩터에 도달할 수 있으므로 해당 무작위 보행은 매우 낮습니다. Q는 코팅, 즉 매우 얇은 금 또는 백금 필름과 고정 손실에 의해 제한된다.^[5] 이러한 공진기는 유리에 대한 이온 빔 미세 침식 또는 레이저 제거를 통해 미세 조정해야 한다. 여러 국가의 엔지니어와 연구원들이 이러한 정교한 최첨단 기술의 추가 개선을 위해 노력해 왔다.^[6]

사프란(Safran)과 노스롭 그러먼(Northrop Grumman)은 HRG의 주요 제조업체이다.^[7]^[8]

반구형 공진 자이로(Hemispherical Resonator Gyro: HRG)라고도 불리는 와인잔형 공진기는 반구형으로 회전하도록 구동되며, 그 절점에서 회전을 측정한다. 조지 하트리 브라이언/George H. Bryan^영어이 기본적인 물리 현상을 발견한 지 약 1세기 후에, 데이비드 D. 린치등이 GM 그룹의 델코 일렉트로닉스사나 리튼사·노스롭 그러먼(미국 캘리포니아주)의 우주선 발사 부서에서 HRG를 개발하여 특허를 취득했다.^[27]。와인잔형에는 2가지 시스템 구성 방법이 있다. 1종은 속도 제어에 기반한 것이고, 다른 1종은 적분 제어에 기반한 것이며, 통상 제어 파라미터에 의한 여진과 조합하여 구성된다. 동일한 하드웨어에서 이 두 가지 기법을 모두 사용할 수 있으며, 이 종류의 자이로의 특유한 특징이 되고 있다^[28]。

3. 2. 7. 진동 휠형 자이로스코프 (Vibrating Wheel Gyroscope)

바퀴는 축을 중심으로 전체 회전의 일부를 회전하도록 구동된다. 바퀴의 기울기를 측정하여 회전율과 관련된 신호를 생성한다.^[9] 휠을 축 주위로 완전히 회전시키고 휠의 기울기를 측정하여 각속도에 관한 신호를 생성한다.^[29]

3. 3. 구동 방식

정전 인력

평행 평판 사이에 전압을 인가하면 정전기적 인력이 발생하는 현상을 이용하여 가동부를 진동시킬 수 있다.

두 개의 평행한 전극면의 거리가 y축 방향으로 가변인 경우, 전압

V

에 의해 발생하는 y축 방향의 힘

F_y

는,

:

F_y = \frac{1}{2} \frac{\partial C}{\partial y} V^2 = - \frac{1}{2} \frac{\varepsilon_0 z_0 x_0}{(y_0 + y)^2} V^2

가 되며, 전극 간 거리

y_0 + y

의 제곱에 반비례한다^[30]^[31]。

두 개의 평행한 전극면의 거리가 일정하고, 전극이 가로(x축 방향)로 이동하여 전극의 면적이 가변이 되는 경우, 전압

V

에 의해 발생하는 x축 방향의 힘

F_x

는,

:

F_x = \frac{1}{2} \frac{\partial C}{\partial x} V^2 = \frac{1}{2} \frac{\partial (x_0 - x)}{\partial x} \frac{\varepsilon_0 z_0}{y_0} V^2 = - \frac{1}{2} \frac{\varepsilon_0 z_0}{y_0} V^2

가 되어,

x

에 의존하지 않는다^[30]。

역 압전 효과

압전 소자인 수정이나 PZT(티탄산지르콘산납)에 전압을 가하면 역압전 효과에 의해 변형이 발생한다. 이 변형량은 최대 0.1% 정도^[32]로 작기 때문에, 금속판과 압전 재료판을 겹친 유니모프 구조, 혹은 압전 재료판을 조합한 바이모프 구조를 통해 "휨"을 이용하여 변위를 확대시킨다.

전자기력

전자기력을 이용하여 진동을 발생시킨다.

3. 3. 1. 정전 인력

평행 평판 사이에 전압을 인가하면 정전기적 인력이 발생하는 현상을 이용하여 가동부를 진동시킬 수 있다.

두 개의 평행한 전극면의 거리가 y축 방향으로 가변인 경우, 전압

V

에 의해 발생하는 y축 방향의 힘

F_y

는,

:

F_y = \frac{1}{2} \frac{\partial C}{\partial y} V^2 = - \frac{1}{2} \frac{\varepsilon_0 z_0 x_0}{(y_0 + y)^2} V^2

가 되며, 전극 간 거리

y_0 + y

의 제곱에 반비례한다^[30]^[31]。

두 개의 평행한 전극면의 거리가 일정하고, 전극이 가로(x축 방향)로 이동하여 전극의 면적이 가변이 되는 경우, 전압

V

에 의해 발생하는 x축 방향의 힘

F_x

는,

:

F_x = \frac{1}{2} \frac{\partial C}{\partial x} V^2 = \frac{1}{2} \frac{\partial (x_0 - x)}{\partial x} \frac{\varepsilon_0 z_0}{y_0} V^2 = - \frac{1}{2} \frac{\varepsilon_0 z_0}{y_0} V^2

가 되어,

x

에 의존하지 않는다^[30]。

3. 3. 2. 역압전 효과

압전 소자인 수정이나 PZT(티탄산지르콘산납)에 전압을 가하면 역압전 효과에 의해 변형이 발생한다. 이 변형량은 최대 0.1% 정도^[32]로 작기 때문에, 금속판과 압전 재료판을 겹친 유니모프 구조, 혹은 압전 재료판을 조합한 바이모프 구조를 통해 "휨"을 이용하여 변위를 확대시킨다.

3. 3. 3. 전자기력

전자기력을 이용하여 진동을 발생시킨다.

3. 4. 검출 방식

각속도의 검출 방식은 다음과 같이 분류할 수 있다.

정전 용량형 - 빗살 모양으로 배열된 전극 간의 정전 용량을 검출한다.
* 2개의 평행 전극면의 거리가 y만큼 이동하는 경우(단, 이동 거리 y는 초기 전극 간 거리 d보다 충분히 작음), 변화하는 정전 용량 ΔC는 다음과 같다.

::ΔC = ε₀(tL/(d-y)) - ε₀(tL/d) ≈ ε₀(tLy/d²)^[33]

* 2개의 평행 전극면의 거리 d는 일정하고, 전극이 가로로 x만큼 이동하는 경우, 변화하는 정전 용량 ΔC는 다음과 같다.

::ΔC = ε₀(t(L+x)/d) - ε₀(tL/d) = ε₀(tx/d)^[33]

* 이러한 정전 용량의 변화는, 전극 사이에 V_DC의 전압을 인가함으로써,

::i_s = d/dt[V_DCC_sense(t)] = V_DC(∂C_sense/∂x)ẋ

:와 같이 전류로 변환할 수 있다.^[34]

압전형 - 압전 효과(piezoelectric effect)에 의해 발생한 전하를 검출한다.
* 압전 물질은 진동하도록 유도될 수 있으며, 코리올리 힘에 의한 횡방향 운동을 측정하여 회전 속도와 관련된 신호를 생성할 수 있다.^[2] 압전성 물질은 진동을 발생시킬 수 있으며, 또한 코리올리 힘에 의해 발생한 횡이동을 측정하여 각속도를 나타내는 신호를 생성할 수 있다.^[35]
피에조형 - 피에조 저항 효과에 의한 저항의 변화를 검출한다.
* 피에조 저항 효과에 의한 전기 저항의 변화를 검출한다.
전자 유도형 - 자속을 가로지르는 회로에 발생하는 유도 기전력에 의해 검출한다.
* 회로가 자속을 가로지를 때 발생하는 유도 기전력에 의해 검출한다.
광학식
* 광학식 자이로스코프는 빛을 이용하여 각속도를 검출한다.

3. 4. 1. 정전 용량형

2개의 평행 전극면의 거리가 y만큼 이동하는 경우(단, 이동 거리 y는 초기 전극 간 거리 d보다 충분히 작음), 변화하는 정전 용량 ΔC는 다음과 같다.

:ΔC = ε₀(tL/(d-y)) - ε₀(tL/d) ≈ ε₀(tLy/d²)^[33]

2개의 평행 전극면의 거리 d는 일정하고, 전극이 가로로 x만큼 이동하는 경우, 변화하는 정전 용량 ΔC는 다음과 같다.

:ΔC = ε₀(t(L+x)/d) - ε₀(tL/d) = ε₀(tx/d)^[33]

이러한 정전 용량의 변화는, 전극 사이에 V_DC의 전압을 인가함으로써,

:i_s = d/dt[V_DCC_sense(t)] = V_DC(∂C_sense/∂x)ẋ

와 같이 전류로 변환할 수 있다.^[34]

3. 4. 2. 압전형

압전 물질은 진동하도록 유도될 수 있으며, 코리올리 힘에 의한 횡방향 운동을 측정하여 회전 속도와 관련된 신호를 생성할 수 있다.^[2] 압전성 물질은 진동을 발생시킬 수 있으며, 또한 코리올리 힘에 의해 발생한 횡이동을 측정하여 각속도를 나타내는 신호를 생성할 수 있다.^[35]

3. 4. 3. 피에조형

피에조 저항 효과에 의한 전기 저항의 변화를 검출한다.

3. 4. 4. 전자 유도형

회로가 자속을 가로지를 때 발생하는 유도 기전력에 의해 검출한다.

3. 4. 5. 광학식

광학식 자이로스코프는 빛을 이용하여 각속도를 검출한다.

4. 성능 평가

성능 평가 방법에 관해서는 IEEE Std 1431-2004^[36]에 개요가 있으며, 중요한 사양 및 정의는 IEEE Std 528-2001^[37]에 기재되어 있다.

==== 검출 범위 ====

포화 없이 검출할 수 있는 각속도의 범위를 °/s(＝dps^[21]^[38]) 또는 rad/s로 나타낸다.^[39] 센서가 파손되지 않는 최대 각속도를 나타내기 때문에 중요한 지표가 된다.^[40] 각속도 센서의 사양으로는 일반적으로 '''풀 스케일'''로 정해진다.^[20]^[41]^[42]

==== 감도 ====

감도는 각속도(°/s)에 대한 출력 전압 또는 디지털 값의 비율을 나타낸다. 아날로그 출력의 경우 V/(°/s), mV/(°/s) 또는 (°/s)/V로 표시하고,^[43] 디지털 출력의 경우 LSB/(°/s) 또는 (°/s)/LSB로 표시한다.^[43]

감도 성능 평가 항목으로는 비선형성 오차, 비대칭성 오차, 반복 오차, 안정성, 히스테리시스 등이 있다.^[44]^[45] 주변 환경으로부터의 감응성으로는 온도 특성이나 가속도에 의한 감도 변화 등이 있다.^[46]^[45]

==== 드리프트와 노이즈 ====

바이어스^[47] (영점^[48]^[45])는 적분하여 각도를 산출하는 경우(적분 자이로)에 중요하게 작용한다. 바이어스의 변화(＝드리프트)는 평가 조건 등의 변화에 따라 각속도가 없는 상태에서 출력이 얼마나 변화했는지를 측정하여 °/s 또는 °/h로 나타낸다.^[49]

랜덤 드리프트는 앨런 분산(센서 출력의 시간 적분 값을 적분 시간으로 나눈 값)을 측정하여 구할 수 있다. 1초 시점부터 앵글 랜덤 워크(Angle Random Walk= 백색 잡음)가 얻어지며, 극소값에서 바이어스 안정성^[50](Bias Instability＝1/f 잡음)을 구할 수 있다.^[51]^[52]^[53]

시판되는 자이로 센서의 잡음 사양은 각속도 잡음 밀도(Rate Noise Density)로 표시되며, 단위는 °/s/√Hz이다.

==== 주파수 대역 ====

일반적인 자이로스코프의 사양에서는 감지 가능한 각속도의 입력 주파수를 컷오프 주파수로 나타낸다.

4. 1. 검출 범위

포화 없이 검출할 수 있는 각속도의 범위를 °/s(＝dps^[21]^[38]) 또는 rad/s로 나타낸다.^[39] 센서가 파손되지 않는 최대 각속도를 나타내기 때문에 중요한 지표가 된다.^[40] 각속도 센서의 사양으로는 일반적으로 '''풀 스케일'''로 정해진다.^[20]^[41]^[42]

4. 2. 감도

감도는 각속도(°/s)에 대한 출력 전압 또는 디지털 값의 비율을 나타낸다. 아날로그 출력의 경우 V/(°/s), mV/(°/s) 또는 (°/s)/V로 표시하고,^[43] 디지털 출력의 경우 LSB/(°/s) 또는 (°/s)/LSB로 표시한다.^[43]

감도 성능 평가 항목으로는 비선형성 오차, 비대칭성 오차, 반복 오차, 안정성, 히스테리시스 등이 있다.^[44]^[45] 주변 환경으로부터의 감응성으로는 온도 특성이나 가속도에 의한 감도 변화 등이 있다.^[46]^[45]

4. 3. 드리프트와 노이즈

바이어스^[47] (영점^[48]^[45])는 적분하여 각도를 산출하는 경우(적분 자이로)에 중요하게 작용한다. 바이어스의 변화(＝드리프트)는 평가 조건 등의 변화에 따라 각속도가 없는 상태에서 출력이 얼마나 변화했는지를 측정하여 °/s 또는 °/h로 나타낸다.^[49]

랜덤 드리프트는 (센서 출력의 시간 적분 값을 적분 시간으로 나눈 값)을 측정하여 구할 수 있다. 1초 시점부터 앵글 랜덤 워크(Angle Random Walk= 백색 잡음)가 얻어지며, 극소값에서 바이어스 안정성^[50](Bias Instability＝1/f 잡음)을 구할 수 있다.^[51]^[52]^[53]

시판되는 자이로 센서의 잡음 사양은 각속도 잡음 밀도(Rate Noise Density)로 표시되며, 단위는 °/s/√Hz이다.

4. 4. 주파수 대역

일반적인 자이로스코프의 사양에서는 감지 가능한 각속도의 입력 주파수를 컷오프 주파수로 나타낸다.

5. 응용 분야

자동차의 요 축 센서는 진동형 자이로스코프로 구성되어 있다.^[57] 차체자세 제어 장치에서 핸들의 조향각 센서와 주행 거리계로부터 예측되는 차체의 각속도와 비교하여 요 축의 오류 상태를 감지하는데 사용된다.^[12]^[57] 고급 시스템에서는 횡 방향 가속도계에 종방향 및 수직 가속도계를 추가하여 전복 감지를 제공할 수 있다. 롤오버(전복 감지) 시스템에서는 다른 진동형 자이로에 의해 전도 시의 각속도를 감지하여 사이드 에어백을 작동시킨다.^[57]

카 내비게이션 시스템에도 자동차의 방향을 감지하기 위해 진동형 자이로 센서가 많이 사용된다.

진동을 유도하고 제어하는 기술은 카시니-호이겐스와 같은 우주선의 위치 결정에 사용되는 진동 구조 자이로스코프에서도 활용된다.^[15] 석영 유리로 만들어진 소형 반구형 공진 자이로스코프(HRG)는 진공 상태에서 작동하며,^[54] 우주선의 3축 위치 정보를 정확하게 제공한다. 움직이는 부품이 없어 수년간 안정적으로 작동하는 장점이 있다. 고순도 단결정 사파이어로 제작된 원통형 공진 자이로스코프(CRG) 프로토타입도 존재한다.^[55]^[56]

닌텐도 게임보이 어드밴스 게임 와리오 랜드: 꼬여버린 세상!과 빙글빙글 메이드 인 와리오는 압전 자이로스코프를 사용하여 회전 운동을 감지한다.^[13] 소니 SIXAXIS PS3 컨트롤러는 단일 MEMS 자이로스코프를 사용하여 여섯 번째 축(요)을 측정한다.^[58] 닌텐도 Wii MotionPlus 액세서리는 InvenSense에서 제공하는 다축 MEMS 자이로스코프를 사용하여 Wii 리모컨의 모션 감지 기능을 보강한다.^[13]^[58] 닌텐도 3DS, 아이폰 4나 넥서스 S와 같은 스마트폰에도 자이로가 탑재된 기종이 있다. 대부분의 최신 스마트폰 및 게임 장치도 MEMS 자이로스코프를 갖추고 있다.

비디오 카메라나 디지털 스틸 카메라에 탑재된 많은 손떨림 보정 기능은 진동형 자이로스코프를 채용하고 있다.^[59] 비디오 및 스틸 카메라의 이미지 안정화 시스템은 진동 구조 자이로스코프를 사용한다. 1996년 11월 5일, 삼성종합기술원은 1초에 0.1도, 0.00167 deg/hr 수준의 고정밀 MEMS 자이로를 개발했다. 가로 세로 1 mm 크기로서, 캠코더의 손떨림 방지 기술에 사용될 수 있다.^[61]

진동 구조 자이로스코프는 무선 조종 헬리콥터의 테일 로터 제어를 돕거나, 무선 조종 비행기의 비행 중 자세를 안정적으로 유지하는 데 사용된다. 또한 멀티로터 비행 컨트롤러에도 사용되는데, 멀티로터는 공기역학적으로 불안정하여 전자적 안정화 없이는 공중에 떠 있을 수 없기 때문이다.

진동형 자이로스코프는 무선 조종 모형 항공기 (특히 원반 던지기 글라이더/Discus Launch Glider^영어)의 후미 및 날개를 이륙 및 비행 시 안정적으로 유지하기 위해서도 사용된다.

엡손 로보틱스는 자사 로봇의 진동을 감지하고 제어하기 위해 QMEMS라고 불리는 석영 MEMS 자이로스코프를 사용한다.^[14] 이는 로봇이 고속 및 급가속 운동에서 로봇 엔드 이펙터의 위치를 고정밀도로 지정하는 데 도움이 된다.^[14]

세그웨이 휴먼 트랜스포터는 실리콘 센싱 시스템즈(Silicon Sensing Systems)에서 제작한 진동 구조 자이로스코프를 사용하여 조작 플랫폼을 안정화한다.^[18]^[60]

5. 1. 자동차

자동차의 요 축 센서는 진동형 자이로스코프로 구성되어 있다.^[57] 차체자세 제어 장치에서 핸들의 조향각 센서와 주행 거리계로부터 예측되는 차체의 각속도와 비교하여 요 축의 오류 상태를 감지하는데 사용된다.^[12]^[57] 고급 시스템에서는 횡 방향 가속도계에 종방향 및 수직 가속도계를 추가하여 전복 감지를 제공할 수 있다. 롤오버(전복 감지) 시스템에서는 다른 진동형 자이로에 의해 전도 시의 각속도를 감지하여 사이드 에어백을 작동시킨다.^[57]

카 내비게이션 시스템에도 자동차의 방향을 감지하기 위해 진동형 자이로 센서가 많이 사용된다.

5. 2. 우주선 자세 제어

진동을 유도하고 제어하는 기술은 카시니-호이겐스와 같은 우주선의 위치 결정에 사용되는 진동 구조 자이로스코프에서도 활용된다.^[15] 석영 유리로 만들어진 소형 반구형 공진 자이로스코프(HRG)는 진공 상태에서 작동하며,^[54] 우주선의 3축 위치 정보를 정확하게 제공한다. 움직이는 부품이 없어 수년간 안정적으로 작동하는 장점이 있다. 고순도 단결정 사파이어로 제작된 원통형 공진 자이로스코프(CRG) 프로토타입도 존재한다.^[55]^[56]

5. 3. 엔터테인먼트

닌텐도 게임보이 어드밴스 게임 와리오 랜드: 꼬여버린 세상!과 빙글빙글 메이드 인 와리오는 압전 자이로스코프를 사용하여 회전 운동을 감지한다.^[13] 소니 SIXAXIS PS3 컨트롤러는 단일 MEMS 자이로스코프를 사용하여 여섯 번째 축(요)을 측정한다.^[58] 닌텐도 Wii MotionPlus 액세서리는 InvenSense에서 제공하는 다축 MEMS 자이로스코프를 사용하여 Wii 리모컨의 모션 감지 기능을 보강한다.^[13]^[58] 닌텐도 3DS, 아이폰 4나 넥서스 S와 같은 스마트폰에도 자이로가 탑재된 기종이 있다. 대부분의 최신 스마트폰 및 게임 장치도 MEMS 자이로스코프를 갖추고 있다.

5. 4. 사진 촬영

비디오 카메라나 디지털 스틸 카메라에 탑재된 많은 손떨림 보정 기능은 진동형 자이로스코프를 채용하고 있다.^[59] 비디오 및 스틸 카메라의 이미지 안정화 시스템은 진동 구조 자이로스코프를 사용한다. 1996년 11월 5일, 삼성종합기술원은 1초에 0.1도, 0.00167 deg/hr 수준의 고정밀 MEMS 자이로를 개발했다. 가로 세로 1 mm 크기로서, 캠코더의 손떨림 방지 기술에 사용될 수 있다.^[61]

5. 5. 취미

진동 구조 자이로스코프는 무선 조종 헬리콥터의 테일 로터 제어를 돕거나, 무선 조종 비행기의 비행 중 자세를 안정적으로 유지하는 데 사용된다. 또한 멀티로터 비행 컨트롤러에도 사용되는데, 멀티로터는 공기역학적으로 불안정하여 전자적 안정화 없이는 공중에 떠 있을 수 없기 때문이다.

진동형 자이로스코프는 무선 조종 모형 항공기 (특히 원반 던지기 글라이더/Discus Launch Glider^영어)의 후미 및 날개를 이륙 및 비행 시 안정적으로 유지하기 위해서도 사용된다.

5. 6. 산업용 로봇

엡손 로보틱스는 자사 로봇의 진동을 감지하고 제어하기 위해 QMEMS라고 불리는 석영 MEMS 자이로스코프를 사용한다.^[14] 이는 로봇이 고속 및 급가속 운동에서 로봇 엔드 이펙터의 위치를 고정밀도로 지정하는 데 도움이 된다.^[14]

5. 7. 기타

세그웨이 휴먼 트랜스포터는 실리콘 센싱 시스템즈(Silicon Sensing Systems)에서 제작한 진동 구조 자이로스코프를 사용하여 조작 플랫폼을 안정화한다.^[18]^[60]

참조

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